从“罗老”号火箭取消发射谈起

2013-07-13杭添仁

太空探索 2013年1期

□ 杭添仁

2012年11月29日，韩国“罗老”号火箭在发射倒计时进入到16分52秒的时候，因第二级火箭出现异常情况而被取消发射。当时，罗老宇航中心在对由韩国研制的第二级火箭的电力推力矢量控制系统检查时发现其电流信号异常，因此停止了发射的倒计时，没过多久，又马上卸掉了由俄罗斯研制的第一级火箭中的液氧/煤油。

此举表明，火箭故障一时难以排除，需要卸下发射台，运回发射组装楼并进行检查和维修。虽然具体故障原因目前还不清楚，但可以排除天气因素，因为当时天气情况满足火箭发射要求，很有可能是存在制造失误或设计缺陷，而且硬件出现问题的概率大于软件出现问题的概率。

“罗老”号火箭为何一波三折

“罗老”号火箭由韩国航空宇宙研究院负责研制，采用两级结构，全长33米，直径2.9米，重140吨，能将质量为100千克的有效载荷送入近地点300千米、远地点1500千米、倾角38°的近地轨道。2012年该火箭的第1级由俄罗斯负责研制，采用1台RD-151液氧/煤油火箭发动机，推力1670千牛；第2级由韩国研制，采用1台固体发动机，推力86.2千牛。

这次发射是“罗老”号的第3次发射，原定于10月26日进行，但在连接火箭第一级和发射台时，发现密封用橡胶圈破损，结果只能将有问题的橡胶圈运往俄罗斯，查找破损原因。新的橡胶圈于11月17日才运至韩国，所以发射被推迟到11月29日，但最终还是“流产”了，真可谓命运多舛。

此前，韩国“罗老”号火箭曾于2009年8月和2010年6月分别进行第一次和第二次发射，但都以失败告终。2009年8月25日，“罗老”号火箭在其首飞过程中由于整流罩分离异常，导致火箭升空后未能将卫星送入预定轨道。最终调查报告表明，整流罩未分离的原因是分离装置存在结构缺陷和电路设计有问题。为此，韩方改进了设计，研制了新的整流罩。2010年6月10日，“罗老”号火箭进行第2次发射，升空两分多钟后与地面失去联系，随后爆炸坠毁，由于事故发生时正是俄方生产的第一级火箭发动机工作阶段，因此，韩国专家认为事故是由第一级火箭发动机工作异常引起的，但俄方不承认，最后不了了之。

根据与俄罗斯方面的协议内容，“罗老”号的第3次发射是该火箭的最后一次发射，即无论发射成功与否今后都不再发射“罗老”号了。但这次属于推迟发射，而不是发射失败，所以“罗老”号还有机会升空，但具体时间目前难以确定。

“罗老”号之所以失败连连，主要原因是韩国在火箭技术储备比较薄弱，缺乏实施高精尖大型系统工程的技术基础和管理经验，在运载器技术方面刚刚起步，还有很长的路要走。另外，俄罗斯提供给韩国火箭的第一级并不成熟，很可能是俄罗斯利用韩国火箭发射试验其新型火箭发动机。还有，事实表明，韩国在航天领域采用的“跨越式”发展战略与韩国技术水平不相适应，不顾自身和技术经验的做法自然会适得其反。

“罗老”号火箭第一次发射

“罗老”号升空瞬间

罗老太空中心(Naro Space Center)位于朝鲜半岛南端的外罗老岛

俄罗斯“联盟”号火箭

2009年8月25日，韩国全罗南道高兴郡的发射场附近，韩国民众翘首盼望火箭发射

运载火箭常见故障析因

运载火箭是一种特殊的飞行器。它由多个分系统的成千上万个零组件、元器件组成（“罗老”号的第一级部件约有12万个，第二级约有3万个）；通过多个设计单位、生产单位大协作研制而成；在地面运输、发射操作和飞行过程中要经历复杂的环境变化；箭上众多的电子设备之间存在着相互之间的影响与干扰；目前的运载火箭都是无人直接操纵的飞行器。因此，在火箭发射飞行的过程中，由于某个零组件、元器件失效或误动作而导致发射失败的事故屡见不鲜。几乎所有发射运载火箭的国家都有过失败的教训。在造成发射失败的分系统故障中，动力装置系统占了首位；其次是控制系统；然后则是结构系统。

2012年8月6日，俄罗斯用“质子”M火箭发射俄罗斯“快讯”MD2卫星和印尼“电信”3通信卫星时失败，这是俄罗斯自2010年12月以来的第7次火箭发射失败。近3年来(2010年～2012年)，俄罗斯联因发射失败而造成的损失或达270亿卢布(约合8.5亿美元) ，根源可能是没有联合控制体系。这次发射失败的主要原因是由于该火箭的“微风”M上面级发动机燃料箱的液压系统油路出现堵塞，导致输送故障，使原本应点火工作18分5秒的发动机，仅工作了7秒后便停止了，卫星未能进入预定轨道。

2011年，俄罗斯燃气输送管路堵塞致“联盟”U火箭发射失败；程序编写错误导致“质子”M火箭发射失败；控制系统失灵致“呼啸”号火箭发射失利；燃料加注错误导致“质子”M火箭发射失败。这4次航天发射失败全部都是由火箭末级故障引发的。而这些故障有些是人为设计失误造成的，有些源自生产环节出现的产品质量问题。

2011年，美国在用“金牛座”火箭以“一箭四星”方式发射卫星时，由于火箭与整流罩未分离，星箭坠毁。在此之前，2009年，“金牛座”在发射“轨道碳观测”卫星时，也是由于整流罩与箭体分离失败，卫星坠落在南极洲附近的海域内。

总之，在近些年发生的火箭发射事故中，故障的部位大都出现在各级推进系统、制导控制系统、级间分离机构、有效载荷整流罩等。而液体火箭发动机故障表现形式多为推力不足、点火失败、提前关机，其主要原因为推进剂泄漏、推进系统部件(例如推进剂阀门、管路、涡轮泵和密封件等)故障、有多余物以及燃烧不稳定等。另外，分离系统故障所占的比重也不少，其主要表现为分离失败和分离不彻底等，特别是由于火箭整流罩分离出现故障而导致发射失败已有好几起，原因是材料不过关、设计和工艺问题以及抛罩分离机构故障等。

经过分析可以看出，有些火箭故障极其相似，存在着潜在的规律性。因此，只要在吸取大量的经验和教训的基础上有意识地采取一些预防措施及对策，加强主要环节的控制，提高管理水平，火箭的故障及其事故还是可以降至最低限度的。

如何避免火箭出现故障

造成运载火箭出现故障的原因主要有以下几个方面。

韩国青少年对航天的热情高涨

一是设计上的原因。由于设计人员认识上的原因、知识面的不足或工作中的失误，造成设计不当或不完善，致使产品在发射和飞行过程中出现故障。例如，美国“猎鹰”1火箭在2008年8月3日执行第3次发射任务时第1、2级分离后相撞而导致失败。主要原因是，在这次发射中第1级使用的“隼”1C新型发动机采用再生冷却方式，而过去使用的“隼”1A发动机采用烧蚀冷却方式，原来适用的时序设计（关机与分离时间间隔1.5秒）并不适用于“隼”1C发动机。

二是生产过程中带来的缺陷。运载火箭在生产过程中，由于生产质量控制不严，致使产品内部存在如暗伤、多余物等缺陷，这些缺陷对火箭来说都是致命的问题。有些缺陷在地面多次检查都很难发现，但火箭一起飞问题就暴露出来了。例如，欧洲“阿里安”4火箭曾因在发动机中留有多余物而导致发射失败。

元器件质量不稳定、天气环境的影响以及人为操作失误也会导致火箭发射失败。

为此，在运载火箭的研制和发射过程中要采取种种措施，以提高火箭的可靠性。比如，精心组织设计，应针对某一个型号的特点，制定出相应的可靠性保证大纲和可靠性设计准则。另外，要根据具体情况对某些系统的仪器、设备或整个系统采取设备冗余或系统冗余，一旦某一设备或某一系统出现故障，则能自动切换到备份的设备或系统上去，以保证运载火箭继续正常飞行。还有，要建立严格的质量保证体系，进行全面的质量控制。运载火箭从设计到生产、到具体发射操作，要建立起一套完整的质量管理办法，例如，设计评审制度，产品生产质量控制与检验制度，发射操作岗位责任制度，等等。充分的地面试验也很重要，因为运载火箭目前还都是一次性使用，不允许对其反复进行使用验证，所以在地面必须进行大量的模拟试验、环境试验，及早暴露其设计上的不足、原材料元器件的隐患、生产制造中的缺陷，以便在发射之前予以排除。地面试验越充分，发射的成功率就越高。

当地时间2009年8月25日，韩国首尔民众在火车站收看“罗老”号两级火箭发射升空实况录像

“罗老”号火箭转场

当地时间2009年8月25日，韩国总统李明博庆祝火箭发射成功。事实证实：“罗老”号未能成功进入正常轨道，发射部分失败

目前，美国的“宇宙神”5、“德尔它”4和欧洲“阿里安”5火箭无论在性能上还是在可靠性上都比较高。它们以可靠性、安全性、经济性等作为主要的设计原则。其芯级均采用大型氢氧发动机或液氧/煤油发动机，并都按多用途设计，可以适应不同轨道的发射任务。其近地轨道运载能力已超过20吨，地球同步转移轨道运载能力达10吨级，

世界运载火箭总的发展趋势是：降低成本，提高可靠性。其措施是简化设计（包括减少火箭级数、发动机数量和简化系统设计等）；采用共用组件或技术，实现通用化、组合化和系列化；采用先进的技术和电子设备。向大直径、少级数和大运载能力发展，使用无毒推进剂。通过采用大直径的芯级、大推力无毒推进剂发动机等新技术，火箭运载能力可成倍地提高。

我国现有的“长征”系列火箭的可靠性很高，目前正按照“无毒、无污染、低成本、高可靠、适应性强、安全性好” 的目标，研制长征五号新一代大型运载火箭。其基本型为带助推的两级火箭：芯一级采用2台推力各约50吨的氢氧发动机并联组成；助推器根据需要采用120吨推力液氧煤油发动机数台；芯二级采用2台推力各约8吨的氢氧发动机发动机并联组成。长征五号将到达国际先进水平，其近地轨道运载能力为25吨，地球同步转移轨道运载能力为14吨，2014年首射。